Comprendre les différents types de procédés d'arrachage dans la fabrication

Le brochage est un procédé d'usinage de précision qui enlève le matériau à l'aide d'un outil multi-dents appelé broche. Chaque dent est progressivement plus élevée que la précédente, de sorte que la broche se déplace linéairement ou rotationnellement par rapport à la pièce à usiner, il faut une série de coupes peu profondes. Il en résulte une surface finie en un seul passage, avec une précision et une répétabilité exceptionnelles.

Comprendre les différents processus d'ouverture, leurs capacités et leurs limites est essentiel pour choisir la méthode appropriée pour une partie donnée. Cet article explore les principaux types d'ouverture, considérations d'outillage, configurations de machines, applications et meilleures pratiques.

Qu'est-ce que le braconnage ?

Le brochage est un procédé de fabrication soustractive qui peut produire à la fois des caractéristiques internes (p. ex. trous, glissières, perçages) et externes (p. ex. formes d'hexagone, plats, rainures). L'outil de brochage est conçu avec une série de dents de coupe, chacune légèrement plus grande que la précédente.

Le processus est classé selon la direction du mouvement de l'outil par rapport à la pièce (linéaire vs rotative) et selon l'emplacement de la coupe (interne vs externe). Les distinctions supplémentaires comprennent si l'outil est poussé (crochage de push) ou tiré (crochage de push) et si l'opération est verticale ou horizontale.

Brochage linéaire

L'ouverture linéaire, souvent appelée -Kartical, ou -Karth-Line, consiste à déplacer l'outil d'ouverture en ligne droite le long de son axe. La pièce reste stationnaire pendant que l'ouverture est poussée ou tirée à travers (ou à travers). L'ouverture linéaire est le type le plus commun et est utilisée pour une large gamme de profils internes et externes.

Brochage linéaire interne

En ouverture linéaire interne, la broche passe par un trou pré-percé ou pré-foncé. Au fur et à mesure que l'outil traverse la pièce à usiner, les dents agrandissent le trou et créent le profil désiré. Les applications courantes d'ouverture interne comprennent :

  • Keyways – fentes pour les clés reliant les arbres aux moyeux.
  • Splies – dents internes de type engrenage pour transmission de couple.
  • Trous de chevreuil ou de hexagone – typiquement pour la fixation ou la fixation d'outils.
  • Serrations – modèles de dents fins pour le verrouillage ou l'alignement.

L'outil de broche pour le travail interne est long et mince, avec des dents qui augmentent progressivement en largeur et en hauteur. L'ouverture est guidée par la pièce elle-même, de sorte que le trou initial doit être positionné avec précision. L'ouverture interne peut atteindre des tolérances de ± 0,01 mm (0.0004 po) et les finitions de surface Ra aussi bas que 0,4 μm.

Brochage linéaire externe

L'outil de broche est généralement une barre plane ou profilée qui se déplace à travers la pièce, en retirant du matériel de l'extérieur. Par exemple, la coupe des plats sur les arbres, la création de fentes de queue de colombier ou la formation de profils complexes à la périphérie d'une pièce. L'ouverture externe est souvent utilisée pour produire des supports dentelés ou dentés, des barres à fentes et des guides.

Comme la pièce doit être solidement maintenue, les machines de brochage externes intègrent souvent des dispositifs de serrage qui indexent la pièce dans le chemin de l'outil. Le processus peut être appliqué à la fois aux petites et aux grandes pièces, bien que les coûts d'outillage soient généralement plus élevés pour les formes extérieures complexes.

Push Broaching vs. Push Broaching

L'ouverture linéaire peut être divisée par la direction d'application de la force:

  • Brèche à la broche – La broche est tirée à travers la pièce à usiner. La broche est sous tension, ce qui aide à maintenir la rectitude et réduit le chevreuil.
  • Appareil de serrage[ – La broche est poussée à travers la pièce. Cette méthode est limitée par la résistance de la colonne et est généralement utilisée pour des outils plus courts et des sections transversales plus petites.Le travail de serrage de serrage est souvent utilisé pour des orifices de touches peu profonds et des trous simples.

En pratique, la plupart des broches de production sont des broches de traction, car elles permettent une plus longue durée de vie des outils et une meilleure évacuation des puces.

Brochage rotatif

L'ouverture rotative, parfois appelée ouverture à la broche, ou -nibbling, crée des formes externes ou internes sur une pièce tournante. L'outil de broche tourne lui-même à un angle léger (généralement de 1°–3°) par rapport à l'axe de la pièce, ce qui provoque un engagement progressif de chaque dent.

Brochage externe rotatif

L'ouverture rotative externe est utilisée pour produire des formes polygonales aux extrémités des parties cylindriques, comme les hexagones, les carrés et d'autres géométries définies par l'utilisateur. La pièce est maintenue dans un mandrin ou un collet, et l'outil de broche tournante est introduit dans l'extrémité de la pièce. Comme l'outil est légèrement incliné, une seule dent contacte la pièce à la fois, réduisant les forces de coupe et permettant la coupe en une fraction de seconde.

Applications typiques:

  • Têtes hexagonales sur boulons, vis et goujons
  • Arrières carrées sur arbres pour clés ou prises
  • Torx ou autres formes de lecteur propriétaires
  • Attelle interne à l'intérieur d'un alésage (brochage rotatif interne)

Brochage rotatif interne

L'ouverture rotative interne crée des profils ou fentes polygonaux internes précis. L'outil est placé dans un trou pré-percé, et comme il tourne et avance, les dents coupent la forme désirée. Cette méthode est particulièrement efficace pour produire des hexagones internes, des carrés ou des écailles dans des alésages de petite à moyenne taille.

Avantages du brochage rotatif

  • Durées de cycle très rapides (souvent moins de 5 secondes par partie)
  • Pas de machine d'ouverture dédiée requise – utilise des tours ou des moulins standard
  • Coût d'outillage faible par rapport au brochage linéaire pour la production à petite parcelle
  • Produit des surfaces sans bûcher lorsqu'elles sont correctement configurées

Conception et matériaux d'outils d'ouverture

La conception d'un outil de broche est essentielle pour la performance du procédé. Chaque géométrie de la dent – y compris l'angle de râteau, l'angle de dégagement, la largeur du sol et le pas de la dent – est conçue pour gérer la formation de puces, la dissipation de chaleur et l'usure de l'outil.

Les principaux paramètres de conception sont les suivants :

  • L'augmentation par dent – la quantité de matériau enlevée par chaque dent. Les augmentations typiques varient de 0,02 mm à 0,12 mm pour l'acier, selon les exigences en matière de matériau et de finition.
  • Touche – l'espacement entre les dents. Un pas inégal permet de prévenir les vibrations harmoniques et les bavardages.
  • Gullet de chip – l'espace entre les dents pour tenir les copeaux. La taille adéquate des copeaux est essentielle pour éviter l'emballage des copeaux et la rupture des outils.
  • – s'assurer que l'aiguillage entre dans la pièce droite et maintient l'alignement.

La conception moderne de broches utilise souvent la conception assistée par ordinateur (CAD) et la simulation pour optimiser la géométrie des dents, prévoir les forces et réduire les essais et les erreurs.

Machines à broyer

Les machines à broyer sont classées selon leur orientation (horizontale ou verticale) et la méthode d'actionnement des outils (hydraulique, mécanique ou électromécanique).

Machines à écraser horizontalement

Les machines horizontales sont couramment utilisées pour les pièces longues ou lorsque la longueur de la broche dépasse 1 mètre. La pièce est fixée et la broche est tirée horizontalement à travers elle. Les machines horizontales peuvent manipuler de grandes pièces et sont souvent utilisées pour les glissières et les glissières internes dans les longs arbres.

Machines à écraser verticalement

Les machines verticales occupent moins d'espace au sol et sont plus faciles à charger et à décharger. Elles peuvent être soit des configurations de traction, soit des configurations de traction. Les machines verticales de traction sont populaires pour les trous internes de taille moyenne, tandis que les machines verticales de traction sont utilisées pour les grandes pièces.

Machines spécialisées

Pour la production en volume élevé, les machines de brochage à transfert et les machines à brochage à chaîne continue déplacent les pièces à travers plusieurs stations de brochage. Ces machines peuvent traiter des centaines de pièces par heure et sont courantes dans l'industrie automobile pour les composants moteurs.

Avantages et limites du braconnage

Avantages

  • Haute précision et répétabilité:[ L'arrachage maintient systématiquement des tolérances de ±0,01 mm.
  • Excellent fini de surface: Les valeurs de Ra de 0,4 à 1,6 μm sont standard.
  • Débit élevé:[ Une passe par partie; les temps de cycle sont mesurés en secondes.
  • Fonctionnement complexe en une seule opération: Élimine plusieurs étapes de fraisage ou de façonnage.
  • Applicable à la fois aux caractéristiques internes et externes sur une large gamme de matériaux (acier, fonte, aluminium, laiton, plastique).
  • Longue durée de vie de l'outil lorsqu'il est correctement entretenu et lubrifié.

Limitations

  • Coût initial élevé d'outillage : Les outils d'embrase sont coûteux à fabriquer et peuvent coûter des milliers de dollars chacun.
  • Temps de configuration long de l'outil: Modifier un outil de broche peut prendre 30 minutes ou plus.
  • Non économique pour les petits volumes:[ Le coût par pièce est élevé pour les petits lots à moins que la forme soit simple.
  • Longueur limitée de la coupe:La longueur de l'ouverture est limitée par la course de la machine et la rigidité de l'outil.
  • Difficile de couper des trous aveugles ou des traits internes à pas.
  • L'évacuation des cheps peut être problématique si la conception des goulets n'est pas optimisée.

Applications dans les industries

Automobile

Les glissières pour engrenages, les glissières internes pour arbres d'entraînement et les formes externes de hexagones sur les fixations sont toutes produites par glissière. Par exemple, les glissières internes sur un arbre d'entrée de transmission automatique sont généralement posées en un seul passage.

Aéronautique

Dans l'aérospatiale, l'ouverture produit des fentes de disque de turbine (profils d'arbre ou de queue de douve) qui s'accouplent avec des pales de turbine. Les tolérances serrées et les exigences de finition de surface font de l'ouverture la méthode préférée.

Pétrole et gaz

Le brochage rotatif est courant pour la production de disques hexagonaux internes dans les vannes, les connecteurs et les outils de trous. La nécessité de matériaux résistant à la corrosion comme l'acier inoxydable ou Inconel nécessite une sélection soignée de revêtements d'outils et des configurations de machines rigides.

Dispositifs médicaux

Les implants, les instruments chirurgicaux et les outils dentaires nécessitent souvent des prises d'entraînement hexagonales ou carrées précises.

Production d'énergie et d'électricité

Les génératrices, éoliennes et arbres à gros diamètre utilisent le brochage pour la production de porte-clés et de fil. De grandes machines de brochage vertical peuvent manipuler des pièces pesant plusieurs tonnes.

Comparaison avec les procédés d'usinage alternatifs

Bien que le brochage soit efficace pour la production en grand volume, d'autres procédés peuvent être plus adaptés à certains scénarios :

  • Broaching vs. Shaping/Planning: Shaping est plus lent et nécessite plusieurs passes; le brochage complète la forme en un seul passage.
  • Broaching vs. Wire EDM: Wire EDM peut couper des matériaux durcis et des profils internes complexes, mais est beaucoup plus lent et plus cher par pièce.
  • Braiillage vs. Fraisage: La fraise est flexible pour les pièces à faible volume, mais ne peut pas obtenir la même finition de surface ou la même consistance dimensionnelle pour les longs éléments internes.
  • Braitage vs. Braitage (rotarien vs. linéaire): Le brochage rotatif est le meilleur pour les petites formes externes et les courts parcours; le brochage linéaire est le meilleur pour les longs profils internes et la production en grand volume.

Considérations de qualité et dépannage

Questions relatives au fini de surface

Une mauvaise finition de surface peut résulter de dents ternes, d'angles de râteau incorrects ou d'une lubrification inadéquate.

Découpe de l'outil

La rupture d'outil est le plus souvent causée par la surcharge (augmentation excessive par dent), l'emballage de la puce, ou un désalignement.

Précision dimensionnelle

La dérive dimensionnelle sur les pièces successives peut être causée par l'expansion thermique de l'outil ou de la pièce à travailler, ou par l'usure des dents de finition.

Évacuation des puces

L'ouverture interne dépend de l'élimination efficace des puces par les goulets. Si les puces se bloquent, elles peuvent causer des points ou des bris d'outil.

Tendances modernes du braconnage

L'industrie 4.0 influence l'ouverture par le contrôle de la machine, le contrôle adaptatif et l'entretien prédictif. Les entraînements servo-électriques remplacent les systèmes hydrauliques pour une meilleure efficacité énergétique et une meilleure précision de position.

Conclusion

L'usinage des pièces reste un procédé indispensable pour la fabrication de formes internes et externes à haute précision et à grande quantité. La compréhension des différences entre l'usinage linéaire et rotatif, ainsi que des compromis entre les méthodes de traction et de poussée, permet aux fabricants de choisir le procédé le plus efficace pour leurs pièces.

Pour plus de détails, consultez l'article Wikipedia sur l'ouverture, le guide SME sur la technologie d'ouverture et le Modern Machine Shop brochage de base.